一种自平衡的受弯构件蠕变试验机

1.本发明涉及蠕变实验领域，特别是一种自平衡的受弯构件蠕变试验机。


背景技术：

2.现有蠕变试验装置针对的试验对象多为研究材料蠕变特性的小型试件，普遍存在荷载小、蠕变量程小等问题，不满足构件或结构等大尺度的蠕变试验需求。同时，在材料尺度上建立的蠕变模型在构件或结构中应用存在诸多的不确定性，而直接在构件或者结构尺度上进行蠕变试验，对于蠕变理论模型验证和新蠕变理论模型的提出均具有重要的意义。
3.采用电液伺服设备虽然可以实现大吨位荷载的施加，但是该类设备容易受到断电影响，长期试验也存在数据漂移问题，且运行费用高。采用传统杠杆机构，虽然可以实现稳定的加载，但面向构件层面蠕变试验高荷载、大变形的需求，若直接对该类装置进行放大，则存在支承构件不稳定、设备基础要求过高等问题，同时较长的杠杆，也导致杠杆重量大、活动倾角范围小等问题。
4.此外，现有蠕变试验装置未考虑试件破坏时对试验人员的防护。材料层面蠕变试验荷载小、构件尺寸小，不会对试验人员造成威胁，但构件层面试验荷载大、破坏突然，必须考虑构件突然断裂时的冲击效应，限制断裂后构件的运动。


技术实现要素：

5.本发明主要针对现有蠕变试验设备无法适用于构件层面蠕变试验高荷载、大变形需求的问题，提出一种自平衡的受弯构件蠕变试验机，经济、安全、便捷的实现高荷载下的装置稳定性，大变形下的装置实时自动调平和构件蠕变断裂时对试验人员的防护。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种自平衡的受弯构件蠕变试验机，包括杠杆组件、升降组件和底座组件；杠杆组件包括t形钢、主横梁轴、加载头、倾角仪、吊篮、配重调节丝杆和配重物；t形钢的横截面为t形；配重调节丝杆的一端固定于t形钢翼缘的一端，配重调节丝杆的另一端与配重物连接，配重物上开设有与配重调节丝杆对应的螺纹孔；倾角仪设置于t形钢翼缘表面的靠近配重调节丝杆的一端；吊篮悬挂于t形腹板的远离配重物的一端；加载头夹持于t形钢腹板上；t形钢腹板上靠近配重物的一端开设有主轴孔，主横梁轴穿过主轴孔与t形钢固定连接；主横梁轴的两端与升降组件连接，升降组件带动主横梁轴上下移动；升降组件底部与底座组件连接。
7.作为本发明的进一步优选，升降组件包括丝杠、电机、主动齿轮、传动齿轮、链条、立柱、滑轨、滑块和轴承；所述立柱为两根，且两根立柱中间均竖直开设有对应的滑轨；且所述滑块为两个，一个滑块设置于一个滑轨上；两个滑块中心位置均开设有对应的主横梁轴孔，且主横梁轴孔内壁设有轴承，主横梁轴的两端穿过两个滑块的主横梁轴孔与轴承连接；电机的轴穿过主动齿轮的轴孔，从动齿轮为两个，主动齿轮和两个从动齿轮分别与链条啮合；丝杠为两根，一根丝杠竖直穿过一个从动齿轮的轴孔，且从动齿轮的轴孔为与丝杆对应
的螺纹孔，滑块连接于丝杠上，丝杠带动滑块沿滑轨上下滑动。
8.作为本发明的进一步优选，底座组件包括两根支腿槽钢、构件支座和一根端部槽钢；端部槽钢的两端分别与一根支腿槽钢连接，形成u形结构；构件支座为两个，一个构件支座设置于一个支腿槽钢上，两个构件支座对应设置，两根立柱底部与端部槽钢连接。
9.作为本发明的进一步优选，还包括钢丝笼，一个钢丝笼套设于一个构件支座外部，钢丝笼底部与支腿槽钢连接，两个钢丝笼相对的一侧设有对应的开口。
10.作为本发明的进一步优选，还包括腹板加强板，腹板加强板设置t形钢腹板的两侧，且腹板加强板上开设有与t形钢对应的主轴孔。
11.作为本发明的进一步优选，支腿槽钢的长度为t形钢长度的一半。
12.作为本发明的进一步优选，还包括电机控制装置，电机控制装置分别与电机和倾角仪连接。
13.作为本发明的进一步优选，电机为伺服电机。
14.作为本发明的进一步优选，还包括支杆，支杆一端连接于配重调节丝杆底部，另一端连接于t形钢腹板靠近配重物的一端，配重调节丝杆的一端焊接于t形钢的翼缘表面。
15.作为本发明的进一步优选，从靠近吊篮的一端至靠近配重物的一端t形钢腹板的宽度逐渐增大。
16.本发明具有如下有益效果：本发明可适用于受弯构件及结构的蠕变试验对高荷载和大变形的要求。在满足上述要求的同时，通过实时杠杆调平系统，保证杠杆水平，减小人员的劳动强度，降低对场地净空需求；通过自平衡原理，降低对试验场地的地基和基础需求，通过设置局部钢丝笼，在不影响试验现象观测的同时，在构件蠕变断裂阶段实现对试验人员的防护。
17.本发明构造简洁、成本低廉、易于组装、使用安全方便，能够准确反映试验过程中受弯构件蠕变的发生发展规律，可广泛应用于多种材料的受弯构件蠕变试验。
附图说明
18.图1是本发明的整体结构示意图；图2是升降组件的结构示意图；图3是杠杆组件的结构示意图；图4是底座组件的结构示意图。
19.其中有：1.t形钢；2.立柱；3.滑轨；4.主横梁轴；5.电机控制装置；6.主动齿轮；7.倾角仪；8.丝杠；9.配重调节丝杆；10.配重物；11.加载头；12.试验构件；13.钢丝笼；14.端部槽钢；15.支腿槽钢；16.腹板加强板；17.吊篮；18.构件支座；19.从动齿轮；20.支杆；21.主轴孔；21.主横梁轴孔；22.链条；23.开口。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第
一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
22.如图1-4所示，一种自平衡的受弯构件蠕变试验机，包括杠杆组件、升降组件和底座组件；杠杆组件包括t形钢1、主横梁轴4、加载头11、倾角仪7、吊篮17、配重调节丝杆9和配重物10；配重调节丝杆9的一端固定于t型钢1的翼缘的一端，配重调节丝杆9的另一端与配重物10连接，配重物10上开设有与配重调节丝杆9对应的螺纹孔，配重物10可沿丝杆前后运动；倾角仪7设置于t型钢1的翼缘表面的靠近配重调节丝杆9的一端；吊篮17悬挂于t型钢1的腹板的远离配重物10的一端；加载头11夹持于t型钢1的腹板上；t型钢1的腹板上靠近配重物10的一端开设有主轴孔21，主横梁轴4穿过主轴孔21与t形钢1固定连接。配重调节丝杆9的一端焊接于t形钢1的t型钢1的翼缘表面。
23.主横梁轴的两端与升降组件连接，升降组件带动主横梁轴4上下移动；由于主横梁轴4与t形钢1为固定连接，因此升降组件间接的带动t形钢1的靠近配重物10的一端上下滑动，实现t型钢的调平，使t形钢1的两端处于同一水平线上。升降组件底部与底座组件连接。
24.升降组件包括丝杠8、电机、主动齿轮6、传动齿轮、链条22、立柱2、滑轨3、滑块和轴承；所述立柱2为两根，且两根立柱2中间均竖直开设有对应的滑轨3，蠕变量程大、稳定性高，满足大型受弯构件蠕变试验需求。且所述滑块为两个，一个滑块设置于一个滑轨3上；两个滑块中心位置均开设有对应的主横梁轴孔，且主横梁轴孔内壁设有轴承，主横梁轴4的两端穿过两个滑块的主横梁轴孔与轴承连接；电机的轴穿过主动齿轮6的轴孔，从动齿轮19为两个，主动齿轮6和两个从动齿轮19分别与链条22啮合；丝杠8为两根，一根丝杠8竖直穿过一个从动齿轮19的轴孔，且从动齿轮19的轴孔为与丝杆对应的螺纹孔，滑块连接于丝杠8上，丝杠8带动滑块沿滑轨3上下滑动。电机的轴带动主动齿轮6转动，因为主动齿轮6和从动齿轮19都与链条22啮合，所以主动齿轮6转动会带动链条22转动，从而带动两个从动齿轮19转动。从动齿轮19转动会带动丝杠8上下移动，以带动滑块沿滑轨3上下移动；然后带动主横梁轴4和t型钢上下移动。所述丝杠8优选为滚珠丝杠8。试验中，当倾角仪7显示的t形钢1倾角大于倾斜阈值，则电机启动，直到倾角仪7显示的t形钢1倾角小于倾斜阈值，实现t型钢实时自主调平，降低对试验机净高要求和人力成本。
25.底座组件包括两根支腿槽钢15、构件支座18和一根端部槽钢14；端部槽钢14的两端分别与一根支腿槽钢15连接，形成u形结构；构件支座18为两个，一个构件支座18设置于一个支腿槽钢15上，两个构件支座18对应设置，两根立柱2底部与端部槽钢14连接。端部槽钢14上设有对应的螺栓孔，立柱2与端部槽钢14可为螺栓连接。且支腿槽钢15上也设有对应的螺栓孔，构件支座18与支腿槽钢15也为螺栓连接。试验构件12的两端放置于构件支座18上，加载头11正对试验构件12的跨中位置。
26.还包括钢丝笼13，一个钢丝笼13套设于一个构件支座18外部，钢丝笼13底部与支腿槽钢15连接，两个钢丝笼13相对的一侧设有对应的开口23。试验构件12的两端两个钢丝笼13的从开口23处放入，试验中，试验构件12发生突然断裂，试验构件12沿着其自身轴线向两端射出，钢丝笼13限制构件碎片的飞溅，保护人身安全。
27.还包括腹板加强板16，腹板加强板16设置t形钢1的腹板的两侧，腹板加强板16与t形钢1的腹板为螺栓连接。设置腹板加强板16是因为t形钢1的腹板承受的集中荷载较大，以
防t形钢1的腹板发生屈曲。为节约材料，进一步优选腹板加强板16设置于加载头11至主横梁轴4处的t形钢1的腹板上，也能达到防止t形钢1的腹板屈曲的效果，增强t形钢1的腹板的局部稳定性。且腹板加强板16上开设有与t形钢1对应的主轴孔21。主横梁轴4依次穿过一个滑块的主横梁轴孔、一块腹板加强板16的主轴孔21、t形钢1的腹板的主轴孔21、另一块腹板加强板16的主轴孔21和另一个滑块的主横梁轴孔。
28.支腿的长度由试验机的抗倾覆稳定性确定，在t型钢杠杆吊篮中放置最大荷载状态下，整个装置绕支腿槽钢15前端的倾覆弯矩小于试验机和构件自重产生的抵抗弯矩。优选支腿槽钢15的长度为t形钢1长度的一半，在此长度下底座组件不需要额外增加配重或地脚螺栓，也可实现本试验机的抗倾覆。现有技术的试验机大多需要用到地脚螺栓，但地脚螺栓的设置位置对地面的要求较高，本发明不需要用到地脚螺栓即可实现本发明的抗倾覆。
29.还包括电机控制装置5，电机控制装置5分别与电机和倾角仪7连接。试验中，倾角仪7感应到倾角大于倾斜阈值时，电机控制装置5控制电机的轴转动，带动滑块上下移动实现t形钢1的两端调平。电机为伺服电机。
30.还包括支杆20，支杆20一端连接于配重调节丝杆9底部，另一端连接于t形钢1的腹板靠近配重物10的一端。支杆20用于支撑配重调节丝杆9。
31.从靠近吊篮的一端至靠近配重物10的一端t形钢1的腹板的高度逐渐增大，即t形钢1的截面高度线性增大。 t形钢1的截面高度根据试验中杠杆中的弯矩大小由悬挂荷载端向主横梁轴4线性增大，增大抵抗弯矩的能力，降低重量，并保证钢梁在最大荷载下挠度小于长度1/200；配重物10与t型钢端部的丝杆相连，通过配重物10的旋转，实现蠕变试验前t形钢1的横梁水平。
32.试验机装配过程：首先放置连接好的底座端部槽钢14和支腿槽钢15并调平，进而在端部槽钢14上安装两根立柱2，在支腿槽钢15上安装构件支座18和钢丝笼13。将腹板加强板16与t形钢1的腹板通过螺栓连接，然后将主横梁轴4穿过t形钢1的腹板的主轴孔21，并将主横梁轴4固定夹持。将主横梁轴4和t形钢1与立柱2连接，调整配重物10位置使t形钢1保持平衡。最后安装电机、电机控制装置5、齿轮、倾角仪7、加载头11、吊篮17等辅助设施。调试倾角仪7和电机，使之协调工作。
33.蠕变试验过程：首先调整丝杠8，使得主横梁轴4和t形钢1的一端沿滑轨3上移至最高点，调整配重物10的位置，使其沿配重调节丝杆9移动，保证t形钢1两端处于同一水平线上。将试验构件12的两端安装在构件支座18上，并将加载头11对准试验构件12的跨中，且加载头11与试验构件12的跨中接触，此时t形钢1形成杠杆结构。倾角仪7归零，电机开机。分级在吊篮中施加荷载，试验构件12发生变形，则t形钢1的两端存在一定的倾角，此时倾角仪7读数超过阈值，阈值优选为0.1弧度，此时电机启动，电机带动主动齿轮6、链条22、从动齿轮19和丝杠8转动，主横梁轴4沿着滑轨3下降，t形钢杠杆自动调平。
34.荷载施加完成后的蠕变变形阶段，当蠕变引起的t形钢1的倾角超过倾角仪7的阈值，电机再次启动，自动将t形钢1杠杆调平。试验中，试验构件12（有机玻璃、木材等）发生突然断裂，试验构件12沿着其自身轴线向外射出，钢丝笼13限制构件碎片的飞溅，保护人身安全。
35.发明可适用于受弯构件及结构的蠕变试验对高荷载和大变形的要求。在满足上述要求的同时，通过实时杠杆调平系统，保证杠杆水平，减小人员的劳动强度，降低对场地净空需求；通过自平衡原理，降低对试验场地的地基和基础需求，通过设置局部钢丝笼13，在不影响试验现象观测的同时，在构件蠕变断裂阶段实现对试验人员的防护。
36.本发明构造简洁、成本低廉、易于组装、使用安全方便，能够准确反映试验过程中受弯构件蠕变的发生发展规律，可广泛应用于多种材料的受弯构件蠕变试验。
37.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。